講透了 LED 倒裝封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

　　本文對比研究了 垂直結(jié)構(gòu)LED 和 倒裝結(jié)構(gòu)LED 隨著電流增大的光輸出變化規(guī)律，并且與 普通正裝LED 進(jìn)行了比較，得出了倒裝結(jié)構(gòu)LED具有更好的抗大電流沖擊穩(wěn)定性和光輸出性能。

　　白光發(fā)光二極管(LED)因其節(jié)能、環(huán)保、可靠性高和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)在照明領(lǐng)域得到廣泛開發(fā)和應(yīng)用。為了滿足日益增長的照明需求，較大輸出功率LED的研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)得到了廣泛開展。

　　1、正裝封裝結(jié)構(gòu)的缺陷

　　目前，商業(yè)化的LED很多采用金線將芯片的PN結(jié)與支架正負(fù)極連接的正裝封裝結(jié)構(gòu)。然而，隨著輸出功率的不斷提高，制約大功率LED發(fā)展的光衰較大和光淬滅等失效問題相繼涌現(xiàn)。

　　淬滅失效的主要原因是金線斷裂。在金線引線連接過程中，受到金純度、鍵合溫度、金線彎曲度、焊接機(jī)精度和鍵合工藝等多重因素影響，造成金線斷開而淬滅。其次，混合熒光粉的硅膠涂覆在芯片表面，起到光轉(zhuǎn)化作用和保護(hù)金線等雙重作用，當(dāng)芯片通電后溫度上升，由于硅膠熱脹冷縮等原因?qū)鹁€和焊點(diǎn)產(chǎn)生沖擊，焊點(diǎn)脫焊，造成淬滅。

　　光衰較大失效的主要原因是硅膠的黃化或透過率降低。正裝結(jié)構(gòu)LED p、n電極在LED的同一側(cè)，電流須橫向流過n-GaN層，導(dǎo)致電流擁擠，局部發(fā)熱量高，限制了驅(qū)動(dòng)電流;其次，由于藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差，嚴(yán)重阻礙了熱量的散失。在長時(shí)間使用過程中，因?yàn)樯岵缓枚鴮?dǎo)致的高溫，影響到硅膠的性能和透過率，從而造成較大的光輸出功率衰減。

　　因此，為了改善正裝封裝LED的金線易斷裂和散熱不好等問題，業(yè)內(nèi)研究者們相繼發(fā)明了垂直結(jié)構(gòu)LED和倒裝結(jié)構(gòu)LED。

　　相較于正裝LED，垂直結(jié)構(gòu)采用高熱導(dǎo)率的襯底(Si、Ge和Cu等襯底)取代藍(lán)寶石襯底，在很大程度上提高散熱效率;垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，通過n電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，橫向流動(dòng)的電流極少，可以避免局部高溫。但是目前垂直結(jié)構(gòu)制備工藝中，藍(lán)寶石剝離工藝較難，制約了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。

　　而另一項(xiàng)發(fā)明的倒裝結(jié)構(gòu)LED，因其可以集成化、批量化生產(chǎn)，制備工藝簡單，性能優(yōu)良，逐漸得到了照明行業(yè)的廣泛重視。倒裝結(jié)構(gòu)采用將芯片PN結(jié)直接與基板上的正負(fù)極共晶鍵合，沒有使用金線，而最大限度避免了光淬滅問題。此外，共晶鍵合結(jié)構(gòu)對散熱問題有了很大的改善。在大功率LED使用過程中，不可避免大電流沖擊現(xiàn)象，在此情況下，如果燈具的大電流抗沖擊穩(wěn)定性不好，很容易降低燈具的使用壽命。

　　因此，本文對比研究了垂直結(jié)構(gòu)LED和倒裝結(jié)構(gòu)LED隨著電流增大的光輸出變化規(guī)律，并且與普通正裝LED進(jìn)行了比較，得出了倒裝結(jié)構(gòu)LED具有更好的抗大電流沖擊穩(wěn)定性和光輸出性能。

　　2、樣品制備與測試方法

　　2.1 樣品制備

　　三種封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中正裝LED采用藍(lán)寶石襯底峰值波長448 nm芯片，倒裝芯片采用藍(lán)寶石襯底峰值波長447 nm芯片，垂直結(jié)構(gòu)芯片采用硅襯底峰值波長446 nm芯片。三種芯片大小均為1.16 mmx1.16 mm，工作電流350 mA，硅膠采用普瑞森公司的0967型號(hào)，熒光粉采用威士波爾的YAG-4。正裝結(jié)構(gòu)芯片的正負(fù)極通過金線引線鍵合焊接在支架的正負(fù)極上;垂直結(jié)構(gòu)芯片的正極是通過金線引線鍵合焊接在支架的正極上，負(fù)極是通過金球共晶鍵合在支架的負(fù)極上;倒裝芯片的正負(fù)極是通過金球共晶鍵合在支架的正負(fù)極上。

　　2.2 測試方法

　　光通量、發(fā)光效率和色溫采用杭州遠(yuǎn)方公司生產(chǎn)的STC4000快速光譜儀，測試原理如圖2所示。被測LED采用固定夾具放在積分球中心，LED發(fā)射經(jīng)積分球內(nèi)部白色漫反射層，漫反射一部分光線通過積分球表面的窄通光孔徑光纖傳輸?shù)轿⑿投嗤ǖ拦庾V儀，光譜儀采集的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。光源采用恒流源供電。

　　3、結(jié)果與討論

　　3.1 光通量隨電流變化關(guān)系

　　圖3標(biāo)出了在驅(qū)動(dòng)電流從50 mA到2 000 mA條件下，倒裝封裝LED、垂直結(jié)構(gòu)封裝LED和正裝封裝LED的光通量隨電流增加的變化趨勢曲線。從圖3中可以看出，隨著電流的逐漸增大，三種結(jié)構(gòu)LED的光通量都隨著電流的增加而增加，但是增長幅度逐漸減小。

　　在驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到1 200 mA時(shí)，垂直結(jié)構(gòu)LED首先達(dá)到光通量飽和點(diǎn)，而此電流條件下的倒裝LED的光通量比正裝LED的光通量高出14.7%，比垂直結(jié)構(gòu)LED的光通量高出25.9%。隨著電流的繼續(xù)增大，垂直結(jié)構(gòu)LED的光通量變化顯示其已接近失效，倒裝LED的光通量在電流1 550 mA時(shí)達(dá)到了飽和，比垂直結(jié)構(gòu)LED飽和電流值增加了350 mA。光通量的測試結(jié)果表明，倒裝結(jié)構(gòu)PN結(jié)溫低、散熱好。

　　因此得出，倒裝LED比其他兩種結(jié)構(gòu)LED的可靠性高，尤其是抵抗大電流沖擊可靠性高，這一項(xiàng)性能有利于提高LED在實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命。

　　3.2 發(fā)光效率隨電流變化關(guān)系

　　圖4標(biāo)出三種LED結(jié)構(gòu)電流與發(fā)光效率的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，當(dāng)電流從50 mA增加到2 000 mA時(shí)，三種LED的發(fā)光效率都呈下降趨勢，倒裝LED的發(fā)光效率在整個(gè)電流變化區(qū)間內(nèi)均高于其他兩種LED的發(fā)光效率。而垂直結(jié)構(gòu)LED在電流大于1 200 mA，發(fā)光效率迅速下降，顯示光輸出異常，這與光通量的測試結(jié)果吻合。在三種LED的工作電流350 mA時(shí)，倒裝LED的發(fā)光效率比垂直結(jié)構(gòu)LED的發(fā)光效率高出8 lm/W，比正裝結(jié)構(gòu)LED高出31 lm/W。

　　倒裝LED的光通量和發(fā)光效率的提高，可能原因有：

　　(1)倒裝LED的外量子效率高。三種封裝結(jié)構(gòu)的折射率分布如圖5所示。其中圖5a所示為倒裝封裝結(jié)構(gòu)的折射率分布圖;圖5b所示為垂直封裝結(jié)構(gòu)和正裝封裝結(jié)構(gòu)的折射率分布圖。根據(jù)Snell定律，倒裝LED光從GaN到藍(lán)寶石的全反射臨界角θ=sin-1 (n藍(lán)寶石/n GaN)=44.5°，藍(lán)寶石到封裝硅膠的臨界角為θ=sin-1 (n硅膠/n藍(lán)寶石)=57.4°;而垂直結(jié)構(gòu)和正裝LED的光從GaN直接傳輸?shù)椒庋b硅膠層，其全反射臨界角為θ=sin-1 (n硅膠/n GaN)=36.2°，小于倒裝的光傳輸界面的臨界角。較大的臨界角可使更多的光輸出，因此，倒裝結(jié)構(gòu)相較于正裝和垂直結(jié)構(gòu)LED有更高的外量子效率，從而得到了較高的白光發(fā)光效率。

　　(2)倒裝PN結(jié)到環(huán)境熱阻低。隨著電流的增加，由于熱阻原因芯片溫度隨之升高，從而增加了載流子的非輻射復(fù)合幾率，降低了輻射復(fù)合幾率，造成發(fā)光效率下降。熱阻越高，芯片升溫越高，發(fā)光效率下降越快。倒裝的PN結(jié)與支架的正負(fù)極采用共晶焊接，熱傳輸距離短，散熱面積大，更利于熱傳導(dǎo)，因此可以得到較低的熱阻值，降低PN結(jié)溫，從而減慢光效下降速度。這與光通量隨電流變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

　　3.3 色溫測試

　　色溫是光源光譜質(zhì)量最通用的指標(biāo)。對于LED光源的需求色溫多數(shù)都是比較低的，并且對于同一批次的產(chǎn)品而言，色溫偏差越小，質(zhì)量越優(yōu)。對色溫的控制研究，一直都是企業(yè)滿足顧客需求的關(guān)鍵參數(shù)。

　　圖6為三種封裝結(jié)構(gòu)LED的電流色溫曲線對比圖。通過實(shí)驗(yàn)測試，隨著驅(qū)動(dòng)電流的升高，三種封裝結(jié)構(gòu)LED色溫都隨著電流的增加而升高，而倒裝LED的色溫升高斜率最小約為0.40，正裝LED的色溫升高斜率約為0.67，而垂直結(jié)構(gòu)LED在電流小于1 200 mA(光通量飽和點(diǎn))時(shí)色溫增加斜率約為0.84，超過1 200 mA時(shí)，色溫參數(shù)接近失效，這與光通量測試和發(fā)光效率測試結(jié)果吻合。倒裝LED的色溫飽和點(diǎn)約為1 600 mA，比垂直結(jié)構(gòu)LED的色溫飽和點(diǎn)高出400 mA。說明倒裝LED在較大電流沖擊情況下，光輸出特性比垂直結(jié)構(gòu)LED穩(wěn)定。

　　4、結(jié)論

　　采用相同尺寸1.16 mm GaN基藍(lán)光芯片制備了倒裝結(jié)構(gòu)LED和垂直結(jié)構(gòu)LED，用STC4000快速光譜儀和恒流電源測試了兩種LED在不同驅(qū)動(dòng)電流條件下的光通量、發(fā)光效率和色溫等發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED在超過1 200 mA電流時(shí)出現(xiàn)發(fā)光性能失效，而倒裝LED的發(fā)光性能失效的電流值在1 550 mA。倒裝結(jié)構(gòu)LED失效電流值的增加，使得LED的可靠性能增加，提高了LED的使用壽命。